装备虚拟仿真解决方案是指利用虚拟现实的技术在计算机空间中建立装备的三维结构，模拟装备的运行原理、操作过程以及故障的诊断和排除过程，从而构造一个与实物装备相对应的基于知识库的复杂软件系统。虚拟装备技术一个最重要的特点是能够模拟装备的行为逻辑，并根据用户的输入给出相应的反馈，而装备的行为逻辑是可以设定的，例如用户可以向虚拟装备中植入错误的行为逻辑来模拟装备故障。

       装备虚拟仿真解决方案包括装备训练和装备故障维修。

一、装备教学训练模式和构架

       装备教学训练的模式，在构建基于知识库的虚拟装备的基础上，探索装备虚拟使用和维修实现的一般方法和内容，并研发一套装备虚拟使用维修系统软件通用平台。

虚拟维修训练系统的分层架构

二、虚拟维修实现的基本原理

       虚拟维修系统实现的基本实现思路是，在建立装备的虚拟模型的基础上，通过软件系统模拟虚拟装备的逻辑结构、行为以及维修环境，使得学员在与虚拟装备交互的过程来体验、学习和训练装备维修的方法以及流程。因此，问题的关键在对虚拟装备的逻辑和状态的模拟。

       1、虚拟装备的反馈行为

       虚拟装备的状态是指虚拟装备的各种状态参数，包括：电路元件通断电状态、电流电压值、温度值、部件间隙、卡滞、磨损等。

       状态是对虚拟装备内在属性的一种描述，而当外在条件具备时（比如外界的某种刺激），状态就会体现出来变成行为，因此行为就是状态的体现，是对外在条件输入的一种反馈。虚拟装备的一部分状态可以通过肉眼观察得出（如部件表面磨损），一部分直接可以从装备本身的仪表、指示灯等信息得出，另外很大一部分则必须借助专业工具测出。无论是用肉眼观测还是用专业工具测量，我们把能够体现行为的这些部件、装备上的仪表、指示灯以及测量接口统称为测点。用于检查测点的所有专业工具集合我们称之为工具库。我们定义虚拟装备的反馈行为（以下简称行为）是，当用户通过操作虚拟装备或者借助工具检测虚拟装备时，虚拟装备某些状态的体现。

       2、故障库

       我们所要实现的虚拟维修系统基于一个可扩展的故障库，这个故障库是维修知识库的一部分，包括故障行为集合、故障现象树以及故障排除方法等内容。

       1）故障行为集合

       当某一种特定故障发生时，会对虚拟装备的一系列行为产生影响，或者说会使虚拟装备产生一系列错误的行为，具体的体现就是错误的状态参数或错误的动作。因此，每一个故障对应一个错误行为集合，我们称这样的集合为故障行为集合。

       2）故障树

       故障行为集合描述了某个特定的故障会导致一系列的错误行为，但是我们在实际维修工作中，往往事先并不清楚具体的故障，而是首先接触的是故障所表现出来的错误行为，就是我们通常所说的故障现象，所以，故障现象是隶属于故障行为集合的一个元素。如何定义故障现象呢，两个原则：

       ⑴最易发现原则：最容易被发现的错误行为，我们定义为典型的故障现象。

       ⑵最大交集原则：错误行为集合的最大交集，这个原则利于对故障的分类。

       定义了故障现象后，由于一种故障现象可能由多个故障导致，因此需要从故障现象逐步检查各个测点，根据检查结果进行行为的正确性判断，再进入不同的判断分支，最终得到具体的故障。这样从某个故障现象到各个故障的判断过程的集合就构成了一棵多叉树，而对每一故障来说，从故障现象到该故障的判断过程就是该树上一条路径，显然这个路径是唯一的，我们称这样的树为故障树。每个故障树对应一个唯一的故障现象，因为故障树是以故障现象为根结点的，而反过来不一定，即一个故障现象可能对应多棵故障树，因为对同一个故障现象而言，一旦我们检查测点顺序不一样，故障树就发生了变化。但是我们可以定义一棵唯一的最大效率树，即根据这棵树进行检查，在概率上能用最少的时间诊断出故障。为什么要定义最大效率树，是因为我们不仅希望学员能够最终诊断出故障，还希望他们能够用最快的时间诊断出来，尤其在战时这一点特别关键。为了简化问题，以下谈到的故障树指的就是最大效率树。一般形式的故障树如图4： 

图4故障树

       3、故障排除方法

       一旦故障诊断完毕，就进入故障的排除程序，显然每一个故障也对应一个特定的排除程序。大体上，我们把故障的排除方法分为两类：更换和调整。更换是指用新部件替换旧部件，调       整是仅仅修改现有部件的状态参数，例如调整间隙等。

       由此，我们确定了两个重要的概念：故障行为集合和故障树。对于某个特定的虚拟装备，所有的故障行为集合、故障树以及故障排除方法就构成了一个故障库，故障库概括了该装备所       有的故障行为以及相应的故障诊断和排除方法。

       4、交互维修过程

       1）故障的植入。提供一个设置界面允许用户设定某种故障，系统从故障库中找到相应的故障行为集合，再根据故障行为集合驱动虚拟装备的相应的行为发生变化。

       2）故障现象的判断。故障现象是在某些条件满足和某些时机下才出现的，因此一定是在用户启动和操作虚拟装备的过程中出现了故障现象。用户一旦判断出来发生了故障，就进入故障诊断程序。否则，如果操作全程没有发现任何故障现象，则结束。

       3）故障诊断。用户利用工具库中的工具进行测点的检查，比对测量的结果并分析，如果诊断出具体故障，则故障诊断程序结束，否则检测下一个测点，如此反复直到诊断出具体故障。这个过程完全是用户自己主导的，系统并不干预，系统只是基于虚拟装备的行为以及用户的输入给出相应的反馈。

       4）故障排除。用户根据诊断出来的具体故障，采取相应的排除方法进行排除。

       5）检验。用户重新启动和操作虚拟装备，跳到第2）步检查是否还有故障现象发生。

三、装备仿真维修训练系统特点

       1、基于维修知识库

       软件系统基于一个维修知识库，这个知识库按照教学大纲进行组织以配合课堂教学，包含了装备的结构、原理以及维修的方法，任何一块内容都能方便地调出，知识的表现采用动画、声音、图像、文字等丰富直观的方式表现出来，易于理解。

       2、虚拟的训练环境

       对于装备的维修等需要实践的内容都以用户可交互式的方式组织起来，建立虚拟的操作环境，使学员能够使用各种虚拟的仪器和工具像操作实物一样操作虚拟装备。学员在操作过程中出现错误能够给出提示以加深印象，同时学员能够随时寻求软件系统的帮助。

       3、考核模块

       对于每一个虚拟训练内容，都有相应的考核模块，以检验学员的学习效果。考核的内容可以是指定的，也可以是随机的，考核完毕软件系统能够根据学员的操作情况自动评判分数。

       4、回放点评

       在考核完毕后得到了一个分数，如果不是满分的话学员当然希望知道到底错在什么地方，因此我们设置了一个回放点评功能，能够将学员的整个操作过程进行动态重现，并指出学员哪些操作步骤是错的，或者遗漏了哪些操作，利于学员的改进。

四、装备虚拟仿真系统的意义

       1、成本更低。一次性投入，可无限复制，单套产品成本低。

       2、应用范围不受限制。不受场地硬件的限制，运行在普通电脑上，可人手一套。

       3、表现元素更丰富。可以集文字、声音、图像、视频、动画、控制逻辑、数据库等于一体。

       4、表现力更直观。可以任意视角、任意距离观看装备的任何一个外部或内部的部件，同时超现实的手段的运用可以将装备的工作原理以更直观的方式表达出来，例如机构的运动、油路、电路的走向等。

       5、训练更人性化。学员进行虚拟的操作训练，不用担心损坏装备，在操作的过程中如果出现错误还可以给出语音和文字提示。

       6、更易修改和扩充。当装备进行修改或升级时，软件系统也能方便地进行更新，升级成本远低于实物教学装备的升级。